Пассивные UHF метки для работы на металлических поверхностях

В статье рассматриваются пассивные высокочастотные метки (UHF tags), предназначенные для работы на металлических объектах. В настоящее время подобные метки начинают пользоваться большой популярностью в таких приложениях, как радиочастотная идентификация контейнеров, железнодорожных вагонов, цистерн и автомобилей.

Пассивные радиочастотные метки (теги) в последнее время быстро развиваются и приобретают большую популярность. А благодаря появлению высокочастотных меток появляется возможность получения впечатляющих расстояний считывания (до 8–10 м). Организация EPCglobal создала спецификации EPC Gen1 и EPC Gen2, которые позволяют создавать метки совместимые по всему миру. Многие компании уже начали использовать такие метки — главным образом, в управлении каналами поставок для розничной торговли для идентификации контейнеров и поддонов (Wal-Mart, Metro и др.).

Но тонким местом в этом процессе является идентификация металлических контейнеров, так как расстояние считывания метки при креплении ее на металл значительно уменьшается. Целью нашей статьи будет обзор доступных на российском рынке меток на металл и их сравение.

По имеющимся у автора данным, сейчас на российском рынке доступны 7 меток, специально разработанных для работы на металлических объектах (табл. 1, рис. 1–7).

Рис. 1. Метка A918 Caen

Рис. 2. Метка Patch Tag «Аэросолюшенз»

Рис. 3. Метки Large Rigid Tag (155 мм) и Large Rigid Tag (78 мм) Intermec

Рис. 4. Метка TA900-1 (прототип)

Рис. 5. Метка Large Rigid Tag Intermec

Рис. 6. Метка Wisteq

Рис. 7. Метка Confide

Таблица 1. Метки для работы на металлических объектах, доступные на российском рынке

Были закуплены 7 данных меток и произведены испытания, позволяющие сравнить их характеристики.

Сравнительные тесты

Были проведены качественные испытания меток с использованием двух ридеров: ручной NordicID PL3000 и настольный Samsys.

Дальность считывания определялась в следующих положениях метки относительно считывателя:

• метка расположена в свободном пространстве;
• метка закреплена на металлической поверхности (столбец «М» табл. 3);
• метка на металлической поверхности под углом 45° в вертикальной плоскости (столбец «М, 45» табл. 3);
• метка на металлической поверхности под углом 45° в горизонтальной плоскости (столбец «М, /45» табл. 3);

Результаты проведенного эксперимента отражены в таблицах 2, 3 и на рис. 8–10. На диаграммах дальность определена в процентах относительно максимальной дистанции считывания меток, полученной в данном эксперименте.

Таблица 2. Результаты измерения дальности считывания меток ручным ридером NordicID PL3000

Рис. 8. Относительная дальность чтения различных меток ISO18000 ручным ридером NordicID PL3000

Рис. 9. Относительная дальность чтения различных меток EPC Gen2 ручным ридером NordicID PL3000

Таблица 3. Результаты измерения дальности считывания меток настольным считывателем Samsys

Рис. 10. Относительная дальность чтения различных меток EPC Gen2 настольным ридером Samsys

Как видно из диаграммы (рис. 10), максимальной дальностью обладает метка PatchTag компании «Аэросолюшенз». Второе и третье места, по дальности считывания делят метки A918 фирмы Caen и TA900-1 компании Альфа-1. Метки Intermec 155 мм и Confidex отстают от лидера по дальности практически вдвое и занимают четвертое и пятое места. И наихудшими параметрами обладают метки Intermec 78 мм иWisteq. Также бросилось в глаза то, что метка PatchTag на металле показала себя лучше чем на воздухе (табл. 2, 3), расстояние считывания на металле возрастало более чем на 20%. Как показало «вскрытие» меток, они отличаются конструкцией антенны. 6 меток используют антенну в виде полуволнового диполя, то есть «усы» антенны смотрят в разные стороны от полупроводникового чипа (Caen, Альфа-1, Intermac, Wisteq, Confidex). Метка же PatchTag имеет антенну, «усы» которой направлены в одну сторону параллельно друг другу. По-видимому, именно эта конструкция и обеспечила метке PachTag самую большую дальность считывания на металле. Чтобы разобраться в преимуществе этой конструкции, была запрошена техническая информация у инженеров «Аэросолюшенз». Как объяснил инженер, именно запатентованная конструкция и сочетание специальных материалов метки PatchTag и позволяет серьезно увеличить дальность считывания метки на металле по сравнению с метками, имеющими традиционную конструкцию.

Физические принципы, лежащие в основе традиционных меток

В основе конструкции большинства радиочастотных меток, в том числе и тех, которые предназначены для крепления на металлические поверхности, лежит полуволновой диполь. На рис. 11 приведены диаграммы направленности элементарного полуволнового диполя в горизонтальной и азимутальной плоскостях.

Рис. 11. Элементарный полуволновой диполь (а) и его диаграмма направленности в горизонтальной (б) и вертикальной (в) плоскостях

Из рис. 11 видно, что в плоскости, перпендикулярной плечам излучателя, антенны подобного типа не являются направленными. Коэффициент усиления таких антенн составляет примерно 2,2 дБ.

Физические принципы, лежащие в основе конструкции Patch Tag

В метке Patch Tag используется печатная антенна. Антеннам данного типа свойственна направленность излучения как в горизонтальной, так и в азимутальной плоскостях. Диаграммы направленности антенны метки в соответствующих плоскостях показаны на рис. 12 и 13.

Рис. 12. Диаграмма направленности антенны метки в горизонтальной плоскости

Рис. 13. Диаграмма направленности антенны метки в вертикальной плоскости

Ширина диаграммы направленности (по уровню 3 дБ) в горизонтальной и вертикальной плоскостях составляет соответственно 70° и 130°. Таким образом, за счет большей концентрации излучения в определенном направлении коэффициент усиления антенны метки Patch Tag превышает коэффициент усиления антенн, выполненных конструктивно в виде диполя, и составляет в точке максимума 6,5 дБ. Согласование антенны с входным импедансом интегральной схемы ASIC Philips Ucode 1.19 показано на рис. 14. Значение коэффициента отражения в заданном диапазоне частот (865–870 МГц) не превышает –32 дБ.

Рис. 14. Согласование антенны метки с входным импедансом интегральной схемы ASIC Philips Ucode 1.19 (ISO 18000-6)

Выводы

Из всех меток, участвовавших в тестировании, метка PatchTag компании «Аэросолюшенз» оказалась лидером по дальности считывания. Как указано на сайте производителя, «пассивная RFID-метка PatchTag предназначена для крепления как на диэлектрические (пластик, стекло и т. д.), так и на металлические поверхности маркируемых объектов. Ключевая отличительная особенность этой метки — оригинальная конструкция антенны с коэффициентом усиления 6,5 дБ. Данная метка специально оптимизирована для установки на металлические поверхности и отличается от аналогов тем, что основные ее показатели (дальность и стабильность регистрации, а также скорость, на которой осуществляется регистрация) при закреплении на металлической поверхности не ухудшаются, а улучшаются. Высокая стабильность основных показателей метки при различной угловой ориентации ее относительно антенны считывателя существенно расширяют спектр возможных применений. Подобную метку можно будет с успехом использовать в самых неблагоприятных условиях, в том числе для динамической идентификации паллет, контейнеров и автомобилей».

Метки фирм Caen, Intermec, Альфа-1 также показали неплохую дальность считывания и могут с успехом применяться для идентификации металлических объектов.

А вот метки фирм Wisteq и Confidex имеют очень малую дальность работы на металле и, с нашей точки зрения, не смогут применяться в приложениях, требующих больших расстояний считывания.

Владимир ЗАХАРОВ

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы